Простий високоякісний УМЗЧ.

Аналіз листів радіоаматорів, які відгукнулися на статтю [1], дозволив прийти до наступних висновків. По-перше (і це природно), всі висловлюються за створення простих у схемотехнічне відносно підсилювачів потужності ЗЧ (УМЗЧ); по-друге, чим простіше схема підсилювача, тим менш підготовлені радіоаматори беруться за його складання; по-третє, навіть досвідчені конструктори нерідко ігнорують відомі правила монтажу, що призводить до невдач при повторенні УМЗЧ на сучасній елементній базі.

Виходячи зі сказаного, був розроблений УМЗЧ (див. рис. 1) на базі підсилювачів, описаних в [1, 2]. Його основні особливості – використання ОУ на малосигнальний режимі (як і в підсилювачі, описаному в [1]), що розширює смугу частот сигналів, відтворених без перевищення швидкості наростання вихідної напруги ОП [3] транзисторів вихідного каскаду – у схемі ОЕ, а предоконечного – з розділеною навантаженням в ланцюгах емітерів і колекторів. Остання, крім очевидного конструктивного переваги – можливості розміщення всіх чотирьох транзисторів на загальних тепловідводу, дає певні переваги в порівнянні з вихідним каскадом, в якому транзистори включені за схемою OK [2].

ОП DA1 живиться через транзистори VT1 і VT2, які знижують напруги живлення до необхідних значень. Токи спокою транзисторів створюють падіння напруги на резистора R8 і R9, достатні для забезпечення необхідного напруги зміщення на базах транзисторів VT3, VT4 і VT5, VT6. При цьому напруги зсуву для транзисторів кінцевого каскаду обрані такими (0,35 … 0,4 В), щоб вони залишалися надійно закритими при підвищенні напруги живлення на 10 … 15% і перегріві на 60 … 80 ° С. Знімаються вони з резисторів R12, R13, які одночасно стабілізують режим роботи транзисторів предоконечного каскаду і створюють місцеві ООС по току.

Основні технічні характеристики УМЗЧ

Номінальний діапазон частот при нерівномірності АЧХ 2 дБ, Гц

20…20 000

Номінальна (максимальна) вихідна потужність, Вт, на навантаженні опором, Ом: 4

30(42)

8

15(21)

Коефіцієнт гармонік при номінальній потужності,%, не більше, в номінальному діапазоні частот.

0,01

Номінальна (максимальне) вхідний напруга, В

0,8(1)

Вхідний опір, кОм

47

Вихідний опір, Ом, не більше

0,03

Відносний рівень шуму і фону, дБ, не більше

—86

Амплітуда сплесків вихідної напруги при включенні і виключенні УМЗЧ, В, не більше

0,1

Співвідношення між опорами резисторів R11 і R4 ланцюга ООС вибрано з умови одержання номінального вхідного напруги, рівного 0,8 В. Включення ланцюгів зовнішньої корекції та балансування ОУ для простоти на схемі не показано (про це буде сказано в розділі, присвяченому налагодженню підсилювача).

ФНЧ R3C2 і ФВЧ C3R10 з частотами зрізу в області 60 кГц запобігають роботу порівняно низькочастотних транзисторів VT3-VT6 на більш високих частотах, щоб уникнути їх пробою. Конденсатори С4, С5 коригують ФЧХ предоконечного і кінцевого каскадів, запобігаючи їх самозбудження при невдалому монтажі.

Котушка L1 підвищує стабільність роботи УМЗЧ при значній ємнісний навантаження.

УМЗЧ живиться від нестабілізованого випрямляча. Він може бути загальним для обох каналів стереопідсилювач, однак у цьому випадку ємність конденсаторів фільтра С8 і С9 необхідно збільшити вдвічі, а діаметр проводи вторинної обмотки трансформатора Т1-в 1,5 рази. Запобіжники включають в ланцюзі харчування кожного з підсилювачів.

Конструкція УМЗЧ може бути різною, проте деякі конструктивні особливості, від яких залежить успіх його повторення, повинні бути обов'язково враховані.

Креслення друкованої плати та розміщення деталей одного каналу УМЗЧ наведені на рис. 2.

Довжина висновків деталей повинна бути не більше 7 … 10 мм (для зручності монтажу висновки ОУ DA1 вкорочують приблизно до 15 мм). У УМЗЧ необхідно використовувати керамічні конденсатори з номінальною напругою не менше 50 В. Плату можна закріпити на тепловідвід транзисторів кінцевого каскаду за допомогою стійок висотою 15 … 20 мм або в безпосередній близькості від нього, застосувавши для з'єднання кінцевого каскаду з предоконечним будь-якої роз'ємний з'єднувач, наприклад МРН-11 (гнізда й штирі з'єднувача включають в точках 1-5). В останньому випадку опір резисторів R12 і R13 слід вибрати рівним 43 … 47 Ом, а на розетці з'єднувача з підключеними до неї транзисторами VT5, VT6 встановити резистори такого ж опору R12 'і R13' (це запобіжить виходу з ладу транзисторів за втрати контакту в з'єднувачі). Довжина провідників між платою і транзисторами кінцевого каскаду повинна бути не більше 100 мм.

Окрім зазначеного на схемі, в УМЗЧ можна застосувати ОУ К140УД6Б, К140УД7А, К544УД1 А, проте коефіцієнт гармонік на частотах вище 5 кГц зросте в цьому випадку приблизно до 0,3%.

Транзистори предоконечного каскаду розташовують на тепловідвід, зігнутому з пластини розмірами 70Х35ХЗ мм (без урахування лапки з отвором діаметром 2,2 мм) з алюмінієвого сплаву, яку одним гвинтом М2Х8 з гайкою кріплять до плати для запобігання обриву висновків транзисторів при випадкових механічних впливах.

Транзистори кінцевого каскаду можна розташувати як на загальній для кожного каналу УМЗЧ тепловідводу, так і на тепловідвід, загальному для обох каналів. У першому випадку їх закріплюють на тепловідвід та ізолюють останній від корпусу УМЗЧ, у другому – ізолюють транзистори, а тепловідвід може представляти собою конструктивний елемент корпусу підсилювача. Для зменшення теплового опору корпус транзистора – тепловідвід необхідно використовувати теплопровідних пасту. При використанні окремих (для кожного каналу) тепловідводів можна застосовувати транзистори в пластмасовому корпусі, які через малу площу металевих підстав можуть перегріватися при поганому виконанні прокладок або поганому тепловому контакті з тепловідводів і надмірній кількості пасти в зазорі. На загальних для обох каналів тепловідвід доцільно встановлювати транзистори в металевому корпусі. Площа тепловідведення у розрахунку на один транзистор повинна бути не менше 500 см 2 .

Велике значення має монтаж УМЗЧ, підключення його каналів з джерелом живлення. Провід живлення (+22 В, -22 В і загальний) повинні бути якомога більш короткими (до кожного каналу вони повинні бути прокладені окремо) і досить великого перерізу (при максимальній потужності 42 Вт-не менше 1,5 мм 2 ). Проводами такого ж перерізу повинні бути підключені акустичні системи, а також ланцюги емітерів і колекторів транзисторів кінцевого каскаду до плати УМЗЧ.

Налагоджують УМЗЧ при відключеному кінцеве каскаді. Якщо для з'єднання частин УМЗЧ застосований роз'ємний з'єднувач, зручно скористатися технологічної розеткою, до якої приєднані тільки проводи харчування і вихід генератора сигналів ЗЧ. При безпосередньому з'єднанні кінцевих транзисторів з платою УМЗЧ достатньо видалити перемички з припою з друкованих провідників кіл їх баз і тимчасово припаяти останні до висновків емітерів.

Для балансування ОУ DA1 (якщо в цьому виникне необхідність) на платі передбачені отвори під підлаштування та постійні резистори або дротові перемички для з'єднання висновків мікросхеми відповідно зі схемою балансування для конкретного типу. Наприклад, для балансування ОУ К544УД2 його висновки 1 і 8 через резистор опором 62 кОм з'єднують з висновком движка і одним з висновків резистивного елемента підлаштування резистора опором 22 кОм. Вільний висновок цього резистора з'єднують дротяної перемичкою з виведенням 7 ОУ, а через резистор опором 75 кОм – з висновком 5 (на рис. 2 ці елементи показані штриховими лініями). При використанні ОУ К544УД1 його висновок 1 через резистор опором 4.3 кОм з'єднують з висновками підлаштування резистора опором 1,5 кОм. Його вільний висновок підключають до висновку 8 ОУ через резистор опором 5,1 кОм, а до висновку 7 – дротяної перемичкою. Для балансування ОУ К140УД6 і К140УД7 використовують резистори тих же номіналів, але вільний висновок підлаштування резистора з'єднують через постійний резистор з виведенням 5, а перемичкою – з виведенням 4 ОУ. Втім, балансування може і не знадобитися, тому ці деталі встановлюють тільки при необхідності.

Налагодження починають з того, що вхід підсилювача замикають накоротко, до виходу під'єднують осцилограф, що входить у режим максимальної чутливості, і короткочасно подають харчування. Якщо на виході немає змінної напруги, тобто самозбудження відсутній, вимірюють режим роботи транзисторів VT3, VT4 та ОУ DA1 по постійному струму. Напруги живлення ОП повинні лежати в межах +13,5. .. 14 і -13,5 … 14 В і бути приблизно однаковими (відхилення допустиме в межах 0,2 … 0,3 В), Падіння напруги на резистора R12 і R13 повинні бути рівні 0,35 … 0,4 В. Якщо ж вони значно (більш ніж на 10%) відрізняються від зазначеної величини, необхідно підібрати резистори R8, R9, стежачи за тим, щоб їхні нові опору залишалися однаковими. Заміняють резистори при вимкненому живленні УМЗЧ. Орієнтовна опір резисторів для ОУ К544УД2А вказано на схемі. При використанні ОУ К544УД1А і К140УД6 за оригінал слід вибрати їх опір 680 Ом, а при використанні К140УД7 – 560 Ом.

Підібравши резистори R8, R9, вимірюють постійну напругу на виході УМЗЧ і, якщо воно перевищує 20, .. 30 мВ, балансують ОП DA1. Потім під'єднують бази транзисторів VT5, VT6 до емітера VT3, VT4 і, короткочасно включивши харчування, переконуються, що й у такому вигляді УМЗЧ НЕ самовозбуждается. Напруга шумів і фону змінного струму при замкнутому накоротко вході не повинен перевищувати 1 мВ.

Далі до виходу УМЗЧ підключають резистор опором 16 Ом з потужністю розсіювання 10 .. .15 Вт, розмикають вхід УМЗЧ, підключають до нього налаштований на частоту 1 кГц генератор і, поступово збільшуючи його сигнал до отримання на навантаженні напруги 13,5 … 14 В, перевіряють симетричність обмеження позитивних і негативних напівхвиль синусоїди.

Мінімального (у вказаних межах) постійної напруги на виході підсилювача домагаються при необхідності остаточної балансуванням ОУ DA1. Після цього можна приступити до вимірювання основних характеристик УМЗЧ, навантаживши його номінальної навантаженням – резистором опором 4 або 8 Ом. Більш докладно особливості налагодження УМЗЧ такого типу описані в [З].

Слід, однак, врахувати, що спроба налагодити, а тим більш точно оцінити параметри УМЗЧ, зібраного без дотримання зазначених вище правил монтажу, не встановивши його на призначене для нього місце і не маючи його від власного блоку живлення, не тільки не дасть бажаного результату, але і може привести до виходу з ладу транзисторів вихідного каскаду. До налагодженню УМЗЧ та вимірюванню його характеристик слід приступати тільки після повного завершення його конструкції. Простота підсилювача тільки гадана. Не слід забувати, що у складі як ОУ DA1, так і УМЗЧ в цілому застосовані транзистори з максимальними частотами генерації 100 … 300 МГц, причому у вихідних каскадах – зі значними ємностями переходів, які здатні привести до самозбудження навіть при удаваному відсутності ланцюгів зворотного зв'язку і навантажень достатньої величини. Незначна індуктивність проводи ланцюга емітера, паралельне розташування на значній довжині проводів ланцюгів бази та колектора можуть стати причиною самозбудження на високих частотах, що вкрай небезпечно для транзисторів кінцевого і предоконечного каскадів. (Втім, це справедливо не тільки для описуваного пристрою, але і для УМЗЧ, зібраного з будь-якої іншою схемою.)

Характеристики УМЗЧ вимірюють за загальновідомим методами з використанням відповідної вимірювальної апаратури. Для вимірювання окремих параметрів, значення яких лежать за межами можливостей серійних вимірювальних приладів (наприклад, малих нелінійних спотворень), можна користуватися методиками, опублікованими в журналі "Радіо" (див., наприклад, [4]).

При вимірі коефіцієнта гармонік і відносного рівня шумів і перешкод слід пам'ятати про можливі наведенням з боку живильної мережі, теле-і радіопередавачів, телевізорів та інших радіоприладів через погану екранівку сполучних проводів, входу УМЗЧ і чутливих вимірювальних приладів, а також за відсутності з'єднання їх незаземлене корпусів один з одним. Іноді достатньо переставити в розетці вилку кабелю живлення одного з приладів або УМЗЧ, щоб отримати невірний результат. До речі, не слід користуватися відомим зі старої радіоаматорського практики способом перевірки УМЗЧ дотиком пальця до його вхідний ланцюга. Це може привести до такого рівня високочастотних наведень, що вихідні транзистори вийдуть з ладу.

Розглянута схема може бути взята за основу при створенні УМЗЧ з різною вихідною потужністю. Для цього треба лише змінити ряд елементів УМЗЧ і блоку живлення. Деякі рекомендації з цього приводу можна почерпнути з таблиці.

Максимальна

вихідна

потужність на навантаженні опір 4 Ом, Вт

Схема (№ малюнка в тексті)

Рекомендований тип ОУ DA1

Рекомендовані пари транзисторів кінцевого каскаду

Опір резисторів, Ом (кОм)

Змінна напруга, В (струм, А) вторинної

Обмотки

трансформатора Т1

Постійні напруги живлення УМЗЧ, В (за відсутності сигналу)

Струм запобіж-

вача, А

R6, R7 (рис. 1)

R8, R9 (рис. 1), R6, R7 (рис. 2)

15

3

К140УД6

КТ805А і КТ837А

680

24 (2)

17 і -17

3

20

3

К140УД6

КТ805Б і КТ837Б

560

30 (2,5)

+20 І -20

4

25

1

К544УД2А

КТ818Б і КТ819Б

(1,5)

200

2х15 (3)

+20 І -20

5

40

1

К544УД2А

КТ818В і КТ819В

(1,8)

200

2Х18 (3)

+23 І -23

4

60

1

К544УД2А

КТ818Г і КТ819Г

(3,3)

200

2х23 (4)

+30 І -30

3


Примітка. Опору резисторів R8, R9 (УМЗЧ за схемою на рис. 1) і R6, R7 (УМЗЧ за схемою на рис. 3) вказані орієнтовно.


При будівлі УМЗЧ з вихідною потужністю приблизно 25 Вт частина елементів можна виключити (див. мал. 3).

Як видно, замість резистора в ланцюзі неінвертуючий вхід ОП DA1, поєднаного з загальним проводом, тут застосовано дільник з резисторів R1-R3, що дозволило відмовитися від середнього виведення вторинної обмотки мережевого трансформатора Т1. Це дозволяє використовувати трансформатори з напругою вторинної обмотки 24 … 28 В і забезпечує захист акустичної системи від виходу з ладу при пробої одного з транзисторів кінцевого каскаду.

УМЗЧ за схемою на рис. 3 можна змонтувати на тій же друкованій платі (див. рис. 4).

У цьому випадку отвори під висновки резисторів R2, R5-R7 залишають вільними, резистори R8 і R9 упаюється безпосередньо в ланцюзі живлення ОП DA1, для чого в отвори під вивід емітерів і колекторів транзисторів VT1, VT2 встановлюють дротові перемички. При вихідний потужності менше 25 Вт в кінцеве каскаді можна застосовувати транзистори серій КТ805 і КТ837 з будь-якими буквеними індексами, Налагодження УМЗЧ за схемою рис. 3 не відрізняється від описаного вище.

Є. Гумелев

м. Митищі, Московської обл.

ЛІТЕРАТУРА

1. Гумелев Є. Якість та схеми-техніка УМЗЧ.-Радіо, 1985, № 9, с. 31-35.
2. Rieder I. Abacus Rieder 60 – 120 .- Funkschau, 1986, N 2, s. 39 – 41.
3. Гумелев Є. Якість та схеми-техніка УМЗЧ.-Радіо, 1986, № 5, с. 43-46
. 4. Митрофанов Ю. Економічний режим А в підсилювачі потужності .- Радіо, 1986, № 5, с. 40 – 43.